利用無(wú)源濾波器抑制勵(lì)磁涌流引發(fā)諧波過(guò)電壓可行性分析

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(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的提高，送電網(wǎng)絡(luò)逐漸地向邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)延伸。但由于這些無(wú)電地區(qū)負(fù)載較小，且往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，在建設(shè)的初期，這些地區(qū)與主網(wǎng)之間往往僅通過(guò)一回聯(lián)絡(luò)線相連，而且該聯(lián)絡(luò)線的距離一般都較長(zhǎng)。聯(lián)絡(luò)線這種輕載長(zhǎng)線的特性，為低次諧波的傳播與放大提供了極好的條件。

根據(jù)傳輸線理論[1,2]，對(duì)于空載長(zhǎng)線路，當(dāng)其距離與傳輸電波的1/4波長(zhǎng)相等時(shí)，在線路末端諧波電壓可能會(huì)被嚴(yán)重放大，從而造成嚴(yán)重的電壓畸變，導(dǎo)致設(shè)備損毀。因此對(duì)于低次諧波而言，當(dāng)輸電線路距離接近300～750 km時(shí)，2～5次諧波則有在末端放大的危險(xiǎn)。此時(shí)，如果在系統(tǒng)中對(duì)空載變壓器進(jìn)行合閘操作，其注入的勵(lì)磁涌流[3,4]則可能在系統(tǒng)末端產(chǎn)生較大的過(guò)電壓[5]。

2013年中國(guó)西南某藏區(qū)電網(wǎng)出現(xiàn)了因勵(lì)磁涌流的注入，而在電網(wǎng)末端產(chǎn)生諧波過(guò)電壓的事件。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)，此次事件中系統(tǒng)末端35 kV母線的電壓瞬時(shí)值達(dá)到了正常情況的1.9倍，對(duì)設(shè)備以及負(fù)荷的安全帶來(lái)了極大的威脅。

在抑制勵(lì)磁涌流引發(fā)諧波過(guò)電壓的措施方面，存在著從源頭治理[6]以及改變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性[1]兩種方式。下面以西南某藏區(qū)電網(wǎng)為算例，著重分析了通過(guò)在系統(tǒng)中增加無(wú)源濾波器抑制諧波過(guò)電壓的思路，探討了其可行性。

1 研究算例及其諧波過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)

1.1 算例系統(tǒng)介紹

利用西南某藏區(qū)電網(wǎng)作為算例系統(tǒng)。

圖1 算例系統(tǒng)

該系統(tǒng)中，11號(hào)母線以及12號(hào)母線所處的變電站即為邊遠(yuǎn)地區(qū)變電站，其與主網(wǎng)(9號(hào)母線以右的系統(tǒng))之間的最遠(yuǎn)傳輸距離接近600 km，處在300～750 km的范圍之內(nèi)。同時(shí)11號(hào)母線與12號(hào)母線的總下網(wǎng)負(fù)荷僅有2 MW左右。因此，母線9～母線12的聯(lián)絡(luò)線具有明顯的輕載長(zhǎng)線路的特性。一旦從9號(hào)母線注入低次諧波，在12號(hào)母線的低壓側(cè)則會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓畸變，甚至出現(xiàn)諧波過(guò)電壓。

1.2 算例系統(tǒng)諧波過(guò)電壓仿真分析

利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了以上判斷。以在1號(hào)母線對(duì)550 MVA空載變壓器進(jìn)行合閘操作為例，可以得到在枯期小方式下，12號(hào)母線35 kV側(cè)的電壓瞬時(shí)值波形如圖2所示。

圖2 12號(hào)母線35 kV側(cè)的電壓瞬時(shí)值波形

由圖2所示，此時(shí)12號(hào)母線35 kV側(cè)的電壓瞬時(shí)值接近2.0倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了系統(tǒng)允許的范圍，設(shè)備損毀風(fēng)險(xiǎn)較高，需要采取措施進(jìn)行抑制。

2 無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)原則

為了抑制勵(lì)磁涌流引發(fā)的諧波過(guò)電壓，需要在系統(tǒng)中裝設(shè)無(wú)源濾波器。根據(jù)規(guī)劃，考慮到未來(lái)還會(huì)有部分110 kV變電站從11號(hào)母線上網(wǎng)，為了提高適應(yīng)性，特將濾波器裝設(shè)在11號(hào)母線的低壓側(cè)。以下將對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行探討。

2.1 濾波器諧振點(diǎn)選擇

考慮到勵(lì)磁涌流中主要含有2、3、4、5次諧波，因此濾波器的設(shè)計(jì)主要為2、3、4、5次各次的單調(diào)諧濾波器。根據(jù)常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，濾波器的調(diào)諧頻率往往會(huì)低于目標(biāo)頻率，如1.9、2.8次等。如此可以防止濾波器電容器使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，其介質(zhì)材料會(huì)退化，從而導(dǎo)致的電容值下降，諧波頻率升高。

這樣設(shè)計(jì)的前提是將交流電網(wǎng)等效為一個(gè)純電感，但是這樣的設(shè)計(jì)方式在圖1所示的地區(qū)電網(wǎng)中可能具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。

以3.9次頻率為濾波器的調(diào)諧頻率，在11號(hào)母線35 kV側(cè)增加濾波器前后，流入母線11～母線12輸電線路的4次諧波電流有效值如圖3所示。

圖3 4次諧波電流有效值

由圖3可知，在增加濾波器后流入11～12線路的4次諧波電流反而有增大的趨勢(shì)。分析其原因，主要是由于諧波頻率超過(guò)了濾波器諧振頻率，因此濾波器呈感性。但是，由于圖1所示地區(qū)電網(wǎng)從11號(hào)母線往里看，11～12線與12號(hào)變電站則主要呈容性。因而出現(xiàn)了諧波電流的放大情況。

為了避免該情況的出現(xiàn)，最好能夠保證濾波器能夠在諧波下呈現(xiàn)容性阻抗，因此在弱聯(lián)系電網(wǎng)中，濾波器的調(diào)諧頻率可能需要高于目標(biāo)頻率。

2.2 濾波器容量選擇

濾波器設(shè)計(jì)中，濾波器容量關(guān)系到電容值的選擇，因此也直接關(guān)系到設(shè)備選型與濾波效果。

根據(jù)分析，濾波器容量主要跟以下兩個(gè)因素有關(guān)。

首先是濾波器的品質(zhì)因素Q。

圖4 不同容量下2次諧波單調(diào)諧濾波器的不同頻率下的阻抗

圖4所示是在兩個(gè)不同容量的2次諧波單調(diào)諧濾波器的不同頻率下的阻抗。由圖4可知，兩個(gè)不同容量的濾波器在諧振頻率下阻抗是相同的，但是由于濾波器設(shè)計(jì)起來(lái)有頻差，因此兩個(gè)濾波器的效果就會(huì)有所差異。如圖可知，在相同頻差的情況下，容量越小的濾波器其濾波效果就越差。

第二是電容上的壓降。

由于濾波器的容量主要是通過(guò)濾波器上的電容值進(jìn)行計(jì)算，因此在一定的諧波電流下，濾波器容量與電容器上的電壓降落呈反比。這一點(diǎn)可以通過(guò)以下的推導(dǎo)表示。

假定濾波器母線上的電壓為該電壓等級(jí)的額定電壓，則濾波器的容量可以通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

當(dāng)流過(guò)濾波器的諧波電流大小為Ih，諧波角頻率為ωh時(shí)，電容器上的壓降為

(2)

由此，可以得到

(3)

其中，n為諧波次數(shù)。

由此可見(jiàn)，如果濾波器容量太小，那么電容器的額定電壓就需要選擇很大，從而抬高造價(jià)。

3 濾波器設(shè)計(jì)與效果

對(duì)1.2節(jié)所述工況中流進(jìn)11～12線路的電流進(jìn)行諧波分析，得到的結(jié)果如圖5所示。由此可以發(fā)現(xiàn)，諧波中3、4、5次明顯占優(yōu)，同時(shí)也存在著少量的2次諧波。因此需要對(duì)3、4、5次諧波進(jìn)行單調(diào)諧濾波。

圖5 11～12線路上電流諧波分布

根據(jù)每次諧波的最大值，分配濾波器各支路的容量。同時(shí)使得可以將濾波器總?cè)萘吭O(shè)計(jì)得接近并小于20 Mvar。

為了盡量保證每個(gè)濾波器上電容有類似的壓降，設(shè)計(jì)了濾波器參數(shù)如表1所示。

表1 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)在11號(hào)母線35 kV側(cè)采用如表1所示的濾波器，并投入20 MVA的低抗以維持穩(wěn)態(tài)電壓時(shí)，如發(fā)生1號(hào)母線對(duì)550 MVA空載變壓器進(jìn)行合閘操作，12號(hào)母線35 kV側(cè)三相電壓瞬時(shí)值如圖6所示。

圖6 濾波器后石渠變電站35 kV電壓瞬時(shí)值

對(duì)比圖2與圖6可知，采用設(shè)計(jì)的濾波器后12號(hào)母線的電壓有了明顯的好轉(zhuǎn)，過(guò)電壓情況得到較好的抑制。而對(duì)濾波器電容、電感上的壓降進(jìn)行仿真，可以得到仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 濾波器電容上的壓降

圖8 濾波器電感上的壓降

由圖7、圖8可知，在該仿真工況下，電容器上達(dá)到的最大峰值電壓為65 kV，電感為35 kV，在選型上必須比低容、低抗選擇的額定電壓要大。

4 濾波器對(duì)孤網(wǎng)后高周高壓風(fēng)險(xiǎn)的影響

由于濾波器的加入，在基頻下增加了容性無(wú)功，雖然在基頻情況下增加了低抗以抵消容性無(wú)功，但是當(dāng)電網(wǎng)孤網(wǎng)情況頻率升高后，低抗已經(jīng)無(wú)法完全補(bǔ)償電容，因此對(duì)孤網(wǎng)系統(tǒng)的高周高壓風(fēng)險(xiǎn)可能有惡化作用。

另一方面，由于濾波器中增加了電阻性元件，增加了有功性負(fù)荷，故對(duì)高周高壓風(fēng)險(xiǎn)也有抑制作用。

圖9所示是在母線8～母線9線路N-2后，有無(wú)濾波器兩種情況下11號(hào)母線220 kV側(cè)的電壓有效值。

由圖9可知，在增加如表1所示濾波器后，由于增加了容性元件，惡化了孤網(wǎng)系統(tǒng)的高周高壓風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)電壓在故障過(guò)程中有較為明顯的增加，從而引發(fā)過(guò)電壓保護(hù)。

為了抑制濾波器對(duì)自勵(lì)磁的影響，需要考慮在高周以及基波高壓時(shí)切除容性濾波裝置。因此可以考慮以下兩種途徑。

方法1：高周切濾波器，整定方式與發(fā)電機(jī)相同。即在頻率高于51.5 Hz時(shí)，延時(shí)0.5 s切除濾波器。

圖9 增加濾波器前后母線8～母線9線路N-2故障中11號(hào)母線35 kV電壓有效值

方法2：高壓切濾波器。即在濾波器上配置靈敏度較高的基波過(guò)電壓保護(hù)，如可設(shè)置為1.2 p.u.，延時(shí)0.5 s切除變壓器。

以上兩種措施的效果如圖10所示。

由圖10可知，采用高周、高壓兩種策略均可以較好地抑制濾波器對(duì)自勵(lì)磁的惡化影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)高周策略由于啟動(dòng)時(shí)間較早，因此效果更為明顯。

圖10 抑制措施效果圖

5 結(jié) 論

以西部某藏區(qū)電網(wǎng)為例，探討了利用無(wú)源濾波器抑制勵(lì)磁涌流引發(fā)諧波過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)的可行性，可以有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)仿真結(jié)果表明，在弱聯(lián)系電網(wǎng)中通過(guò)增加無(wú)源濾波器確實(shí)可以對(duì)勵(lì)磁涌流引發(fā)諧波過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的抑制。

2)濾波器設(shè)計(jì)時(shí)濾波器的容量以及諧振頻率十分關(guān)鍵。濾波器的容量決定了濾波器在有頻差時(shí)的濾波效果同時(shí)也會(huì)影響一定諧波電流下電容器上的壓降。濾波器容量越大，在相同頻差下濾波效果越好，而在相同電流下電容的壓降也越小。

3)濾波器的諧振頻率決定了濾波器在諧波下的無(wú)功特性，由于弱聯(lián)系電網(wǎng)呈現(xiàn)容性狀態(tài)，為了防止諧波放大，最好能夠保證濾波器在諧波下也呈現(xiàn)容性阻抗，因此在弱聯(lián)系地區(qū)中濾波器的調(diào)諧頻率可能需要高于目標(biāo)頻率。

4)濾波器對(duì)弱聯(lián)系電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行后的高周高壓風(fēng)險(xiǎn)的影響方面，一方面濾波器提供了容性功率惡化了電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行后的高周高壓風(fēng)險(xiǎn)，另一方面濾波器上的電阻也增加了有功負(fù)荷有利于抑制該風(fēng)險(xiǎn)。但仿真結(jié)果表明，在裝設(shè)無(wú)源濾波器后，當(dāng)系統(tǒng)因故障孤網(wǎng)時(shí)，過(guò)電壓的幅值往往會(huì)高于裝設(shè)之前。

5)采用高周、高壓兩種策略均可以較好地抑制濾波器對(duì)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行后的高周高壓風(fēng)險(xiǎn)的惡化影

響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)高周策略由于啟動(dòng)時(shí)間較早，因此效果更為明顯。

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